Les joints de grains sont l'un des défauts les plus importants dans les matériaux d'ingénierie séparant différentes cristallites, qui déterminent leur force, résistance à la corrosion et défaillance. Typiquement, ces interfaces sont considérées comme des défauts quasi bidimensionnels et le contrôle de leurs propriétés reste l'une des tâches les plus difficiles de l'ingénierie des matériaux. Cependant, il y a plus de 50 ans, le concept selon lequel les joints de grains peuvent subir des transformations de phase a été établi par des concepts thermodynamiques, mais ils n'ont pas été pris en compte, car ils ne pouvaient pas être observés. Dr Christian Liebscher, chef du groupe "Advanced Transmission Electron Microscopy" et les membres de son équipe au Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE), ont maintenant trouvé un moyen d'observer directement les transitions aux joints de grains expérimentalement. Avec des collègues du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), NOUS., qui a modélisé les transformations aux joints de grains, les chercheurs ont publié leurs récentes découvertes dans La nature .

Leurs résultats sont surprenants :« La recherche de transformations congruentes a tous les aspects d'une recherche d'aiguille dans une botte de foin de dimension 6+C, " dit John W. Cahn, scientifique des matériaux et expert en thermodynamique. L'équipe a même trouvé deux de ces "aiguilles". La clé était d'utiliser les microscopes à résolution atomique du MPIE pour visualiser directement les interfaces de transformation.

"Nous ne nous attendions pas à voir des transformations de phase aux joints de grains, mais nos résultats montrent clairement que deux motifs de joints de grains coexistent avec des arrangements atomiques différents. Cependant, l'orientation du plan de joint de grain, la désorientation des cristallites et la composition chimique ne changent pas. A travers ces observations, il faut repenser le comportement des interfaces en exposant un matériau à la température et/ou aux contraintes, " explique Liebscher.

Lui et ses collègues ont analysé des couches minces de cuivre pur en particulier par microscopie électronique à transmission à résolution atomique. Par ici, ils ont débloqué les phases de joints de grains et prouvé leur coexistence avec une précision atomique. Les phases peuvent être décrites atomistiquement comme des motifs avec une structure en forme de perle et de dominos (voir Fig. 1). Dr Timofey Frolov et Dr Robert Rudd, du Laboratoire national Lawrence Livermore, modélisé les phases aux joints de grains. Ils ont utilisé un nouvel algorithme de recherche de structure de joint de grain, capable de retrouver les structures observées expérimentalement. De plus, leurs simulations de dynamique moléculaire à température finie explorent la cinétique de transformation. Les structures prédites non seulement ressemblent parfaitement aux observations expérimentales, mais démontrent que les phases aux joints de grains peuvent se transformer les unes dans les autres en changeant la température ou la contrainte. En outre, les simulations indiquent que la jonction de phase aux joints de grains, un nouveau défaut de ligne qui n'a pas été considéré auparavant, est le contrôle des taux.

« Nous avons découvert par modélisation que la vitesse de la transformation dépend en grande partie de la migration de la jonction de phase. Il ne faut que quelques dizaines de nanosecondes en cas de défaut court pour achever la transformation de la structure domino en perle. Alors qu'aucune transformation est observé lorsque la longueur du défaut dépasse quelques nanomètres et a lieu en dessous de 500 K, " explique le Dr Thorsten Meiners, premier auteur de la publication et ancien doctorant au MPIE. Par ailleurs, les phases aux joints de grains sont caractérisées par des propriétés différentes, qui déterminent le mouvement des phases d'interface, comment ils absorbent les éléments d'impuretés ou comment ils se déforment mécaniquement.

"D'où, comprendre comment se transforment les joints de grains offre un regard neuf sur des phénomènes matériels encore inexpliqués, comme une croissance anormale des grains, et ouvre de nouvelles voies pour considérer les transitions d'interface comme un élément de conception matérielle, " déclare le professeur Gerhard Dehm, directeur au MPIE. Les différents états des joints de grains ou interfaces peuvent avoir un fort impact sur le comportement à la corrosion des matériaux, comment ils se comportent dans des conditions catalytiques ou encore jouent un rôle important dans la défaillance des dispositifs microélectroniques. Les scientifiques visent à élargir les observations actuelles à des expériences réalisées à différentes températures, sous contrainte et en présence d'impuretés. L'objectif est d'établir une compréhension complète de ces transformations de phase, être ainsi capable de concevoir les propriétés des matériaux en s'appuyant sur une ingénierie holistique des joints de grains.